校園一卡通安全方案研究與設(shè)計(jì)

文章出處：http:// 作者：王國(guó)偉 王瑞 薛勇   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年11月23日

1 引言 

    “校園一卡通”是以IC卡為信息載體的適用于高校校園管理和消費(fèi)的綜合系統(tǒng)，IC卡取代了校園內(nèi)使用的各種個(gè)人證件和現(xiàn)金支付手段，在一張IC卡上實(shí)現(xiàn)消費(fèi)和管理等多種功能。在校園一卡通中，各應(yīng)用子系統(tǒng)將系統(tǒng)產(chǎn)生的電子賬單傳到結(jié)算中心，在這個(gè)交易過(guò)程中，校園卡本身的偽造和攻擊以及交易過(guò)程中傳輸?shù)慕鹑跀?shù)據(jù)的安全性非常重要。由于“校園一卡通”的交易數(shù)據(jù)涉及到全校師生以及后勤部門的切身經(jīng)濟(jì)利，交易數(shù)據(jù)的篡改將會(huì)造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失和“校園一卡通”軟、硬件設(shè)備的作廢，因此其安全性是整個(gè)“校園一卡通”系統(tǒng)安全性的根本保證。

2 安全方案設(shè)計(jì)
 
2．1 卡片的安全 

    作為一個(gè)IC卡應(yīng)用系統(tǒng)，“校園一卡通”充分利用IC卡提供的硬件加密邏輯分發(fā)、管理和使用IC卡，IC卡的硬件加密邏輯(主要體現(xiàn)為主密碼、分區(qū)密碼和擦除密碼)可以說(shuō)是IC卡的密鑰，在“校園一卡通”系統(tǒng)中，正是將其納入整個(gè)密鑰管理體制來(lái)統(tǒng)一管理的。 

    整個(gè)密鑰管理系統(tǒng)采用三級(jí)密鑰體制，由密鑰管理中心根據(jù)傳統(tǒng)3DES算法產(chǎn)生系統(tǒng)的根密鑰、二級(jí)密鑰和會(huì)話密鑰。密鑰的分發(fā)采用根密鑰和二級(jí)密鑰的分發(fā)采用智能卡(CPU卡)作為傳遞介質(zhì)以及線路加密的方式。 

2．1．1 密鑰生成前的準(zhǔn)備工作 

    根據(jù)功能，密鑰生成系統(tǒng)由根密鑰系統(tǒng)、二級(jí)密鑰系統(tǒng)和SAM卡密鑰系統(tǒng)組成。密鑰生成系統(tǒng)的主要任務(wù)是利用各種密鑰的生成機(jī)制和加密算法，并將生成的密鑰存儲(chǔ)在具有密鑰導(dǎo)出功能的CPU智能卡，即SAM(Security Access Module)卡。密鑰的發(fā)行采用由上一級(jí)生成下一級(jí)所需的各種子密鑰。系統(tǒng)在生成相應(yīng)的密鑰時(shí)，同時(shí)生成相應(yīng)的認(rèn)證密鑰，將其存儲(chǔ)在相應(yīng)的認(rèn)證卡中，以控制和配合密鑰卡的使用。密鑰卡必須通過(guò)其認(rèn)證卡的相互認(rèn)證(外部認(rèn)證)后才能正常使用。

    2．1．2 根密鑰生成 

    密鑰和密鑰種子的產(chǎn)生一般用隨機(jī)數(shù)的方法產(chǎn)生。對(duì)于高密級(jí)的根密鑰，要求絕對(duì)地隨機(jī)產(chǎn)生，比如采用擲幣法或投骰法等產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)。根密鑰采取由多人、多批次分開完成注入：由學(xué)校不同的負(fù)責(zé)人分別輸入16位(取值范圍0，1，.... 9，A，.....，F(xiàn))種子A和種子B，種子A和種子B在密鑰發(fā)生器中產(chǎn)生所需的所有密鑰，保存在密鑰母卡和密鑰控制卡中，密鑰母卡中的密鑰只能在密鑰控制卡的控制下導(dǎo)入、導(dǎo)出。種子A和種子B必須安全保存，當(dāng)密鑰母卡或密鑰控制卡意外損壞、丟失或因使用次數(shù)過(guò)多而自然損壞時(shí)，可用種子A和種子B恢復(fù)出相同的密鑰。同時(shí)，密鑰發(fā)生器還要產(chǎn)生幾套不同的密鑰保存在密鑰母卡中，萬(wàn)一出現(xiàn)某套密鑰泄漏，可實(shí)時(shí)啟用另一套密鑰 。 

    第一步，輸人種子A和種子B：由兩人獨(dú)立輸入一個(gè)16位數(shù)(或少于16位)，分別作為SeedA和SeedB ；
    第二步，計(jì)算種子C：SeedC=SeedA o SeedB；
    第三步，密鑰種子的初始化：


    重復(fù)執(zhí)行從第四步以第六步，直到所有的原始密鑰全部生成。 

    2．1．3 二級(jí)密鑰的生成及分發(fā) 

    第一步：錄入二級(jí)業(yè)務(wù)分散代碼，將業(yè)務(wù)分散代碼寫入二級(jí)密鑰母卡。二級(jí)密鑰母卡上以密文二進(jìn)制方式存放業(yè)務(wù)分散代碼。 

    第二步：發(fā)行二級(jí)密鑰認(rèn)證卡1和二級(jí)密鑰認(rèn)證卡2，用來(lái)為二級(jí)密鑰母卡提供直接導(dǎo)出和分散導(dǎo)出的保護(hù)密鑰。發(fā)行PSAM卡傳輸卡，作用是為PSAM卡的發(fā)行提供主控密鑰。 

    根密鑰母卡和根密鑰認(rèn)證卡生成后，遞交給二級(jí)密鑰生成系統(tǒng)，用于生成二級(jí)密鑰母卡和二級(jí)密鑰認(rèn)證卡，二級(jí)密鑰生成系統(tǒng)先利用根密鑰認(rèn)證卡對(duì)根密鑰母卡進(jìn)行外部認(rèn)證，過(guò)程如下： 
    (1)首先校驗(yàn)根密鑰認(rèn)證卡的PIN，獲得根密鑰認(rèn)證卡的使用權(quán)；
    (2)二級(jí)密鑰生成系統(tǒng)對(duì)根密鑰卡發(fā)出隨機(jī)數(shù)命令，獲得8字節(jié)的隨機(jī)數(shù)；
    (3)二級(jí)密鑰生成系統(tǒng)對(duì)根密鑰認(rèn)證卡發(fā)內(nèi)部認(rèn)證命令，將上一步獲得的隨機(jī)數(shù)傳過(guò)去，根密鑰認(rèn)證卡用卡中的內(nèi)部認(rèn)證密鑰加密該隨機(jī)數(shù)，將加密結(jié)果送給二級(jí)密鑰生成系統(tǒng)；
    (4)二級(jí)密鑰生成系統(tǒng)用外部認(rèn)證命令，將加密結(jié)果送給根密鑰卡，根密鑰卡內(nèi)部進(jìn)行解密，將解密的隨機(jī)數(shù)與卡中保留的隨機(jī)數(shù)比較，如相同則說(shuō)明卡中的外部認(rèn)證密鑰與根密鑰認(rèn)證卡中的內(nèi)部認(rèn)證密鑰相同，認(rèn)證通過(guò)。 
    認(rèn)證通過(guò)后，二級(jí)密鑰生成系統(tǒng)將根密鑰卡中的根密鑰導(dǎo)出，生成二級(jí)密鑰到密鑰卡中。 

    第三步：使用根密鑰母卡和根密鑰認(rèn)證卡發(fā)行二級(jí)密鑰母卡；產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)作為根密鑰母卡的保護(hù)密鑰，根密鑰認(rèn)證卡上的分散因子對(duì)根密鑰母卡上的密鑰密文分散導(dǎo)出，利用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生二級(jí)密鑰母卡上的主控密鑰，將需要的多組密鑰添加到二級(jí)密鑰母卡上。 

    第四步：用二級(jí)密鑰母卡、二級(jí)密鑰認(rèn)證卡，發(fā)行PSAM母卡和PSAM母卡認(rèn)證卡。二級(jí)密鑰認(rèn)證卡1上的密鑰添加到二級(jí)密鑰母卡上作為保護(hù)密鑰，同時(shí)作為PSAM母卡的主控密鑰；二級(jí)密鑰母卡上的消費(fèi)密鑰以密文形式直接裝入PSAM母卡。

2．2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?nbsp;

    校園卡用戶交易數(shù)據(jù)使用會(huì)話密鑰進(jìn)行加密，按“一次一密”的方式工作。這樣，即便對(duì)某一次的交易數(shù)據(jù)進(jìn)行攻擊，也不能對(duì)整個(gè)校園一卡通系統(tǒng)的密鑰體系產(chǎn)生影響。會(huì)話密鑰生命周期很短，其產(chǎn)生和分配的速度要求很高。采用用戶向密鑰
產(chǎn)生系統(tǒng)申請(qǐng)產(chǎn)生會(huì)話密鑰，分發(fā)采用公開密鑰密碼體制的方式，由PKI和密鑰產(chǎn)生系統(tǒng)結(jié)合進(jìn)行分發(fā)。即：利用公開密鑰密碼(PKI)分配傳統(tǒng)密碼的會(huì)話密鑰，再利用傳統(tǒng)密碼對(duì)會(huì)話進(jìn)行加密保護(hù)，會(huì)話密鑰由密鑰管理中心應(yīng)用戶申請(qǐng)產(chǎn)生。 

    2．2．1 會(huì)話密鑰的生成 

    用二級(jí)密鑰母卡，二級(jí)密鑰認(rèn)證卡1，二級(jí)密鑰認(rèn)證卡2，PSAM母卡認(rèn)證卡發(fā)行用戶卡母卡。用戶卡母卡上的密鑰分散導(dǎo)出，生成會(huì)話密鑰，發(fā)行學(xué)生用的校園卡。學(xué)生申請(qǐng)校園卡之前，必須經(jīng)過(guò)“校園一卡通”管理中心的身份審核，生成個(gè)人
密鑰對(duì)：生成RSA密鑰對(duì)，其中，私鑰存儲(chǔ)到指定的文件中，公鑰導(dǎo)出，用于生成數(shù)字證書。 

    2．2．2 會(huì)話密鑰的分發(fā) 

    PKI下的CA以及會(huì)話密鑰產(chǎn)生系統(tǒng)協(xié)調(diào)負(fù)責(zé)管理用戶的公開加密密鑰并輔助傳統(tǒng)密碼體制的會(huì)話密鑰的產(chǎn)生與分配。




    (4)撤消連接 

    會(huì)話結(jié)束以后，便撤消連接，將用于本次會(huì)話的RN和K 銷毀。 

2．3 密鑰的存儲(chǔ)和銷毀 

    密鑰注入以后，應(yīng)該存儲(chǔ)在加密設(shè)備里，并以加密的方式存放，對(duì)密鑰的解密操作的口令由專門的密碼操作人員保管，這樣即使破解者拿到裝有密鑰的加密設(shè)備也可以保證密鑰的安全。密鑰的使用是有使用期限的，一旦密鑰的有效期到達(dá)，必須清除原密鑰或者更新。為保證加密設(shè)備能夠連續(xù)工作而不出意外，可以設(shè)計(jì)新密鑰生效后，原有密鑰可以持續(xù)使用一定時(shí)間，以防止密鑰更換時(shí)期出現(xiàn)的意外情況。

3 結(jié)語(yǔ) 

    本文提出結(jié)合傳統(tǒng)密碼算法和現(xiàn)代密碼算法相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)密鑰管理方案，這種方案利用公鑰密碼分配傳統(tǒng)的會(huì)話密鑰，再用傳統(tǒng)會(huì)話密鑰進(jìn)行保密的交易數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)會(huì)話密鑰始終不在網(wǎng)絡(luò)信道中出現(xiàn)，既方便又安全。由于現(xiàn)代密碼算法在數(shù)字簽名方面的特有的技術(shù)特性，該方案為一卡通中實(shí)現(xiàn)數(shù)字簽名功能帶來(lái)了極大的便利。CA設(shè)計(jì)方案以及Web工作的數(shù)字簽名系統(tǒng)與密鑰管理的結(jié)合，可以在很大程度上彌補(bǔ)目前”校園一卡通”中數(shù)字簽名不被重視的缺陷。

    收稿日期：2007年11月27日，修回日期：2008年1月4日
    作者簡(jiǎn)介：王國(guó)偉，男，碩士，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及安全技術(shù)研究。王瑞，男，碩士，研究方向：信息系統(tǒng)研
究。薛勇，男，經(jīng)濟(jì)師，研究方向：信息經(jīng)濟(jì)研究。

    參考文獻(xiàn)
    [1]張玉清，陳建奇，楊波等．公鑰基礎(chǔ)設(shè)施(PKI)實(shí)現(xiàn)和管理電子安全[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2002：365～ 368
    [2]林飛．一種基于RSA的認(rèn)證加密方案[D]．暨南大學(xué)，2000
    [3]Schneier．B，吳世忠等譯．應(yīng)用密碼學(xué)：協(xié)議、算法與C源程序[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：147
    [4]黃正金，張其善．一種新型密鑰管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2002，(11)：34～35
    [5]張煥國(guó)，劉玉珍．密碼學(xué)引論[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社，2003：114～121，215～219